节制闸课程设计、.doc

1、- 1 -第一章 基本资料1.1 工程概况原前进二闸枢纽位于临河城北前进干渠上，该枢纽建于 1966 年，枢纽设计流量77.6m3/s，主要任务是引水灌溉，灌溉面积 128 万亩。建筑物包括前进第二节制闸、西乐进水闸、新华进水闸、甜菜支渠进水闸及林场支渠进水闸五座建筑物，其中西乐进水闸、新华进水闸的分水角均为 30，甜菜支渠进水闸及林场支渠进水闸的分水角均为 16。枢纽上游以扭曲面与两岸连接，各闸室之间采用圆形裹头连接方式；下游均以隔墙型式与两岸渠堤连接。前进二闸枢纽中的节制闸、西乐及新华进水闸的设计流量分别为28m3/s、22m 3/s 及 23m3/s，闸室结构型式均为开敞式，闸下游设交通

2、桥，桥面净宽4.5m，汽 -8 级标准。闸门为钢筋混凝土平板门，起闭机为螺杆式起闭机。该枢纽建成至今已有 42 年，在工程运用过程中发现了许多问题：一是建筑物长期受冻胀破坏，致使各闸的翼墙、闸前铺盖及闸下消力池护坦等部位存在破损问题，漏水现象十分严重，直接威胁建筑物自身的安全；二是工程管理设施落后，不能满足工程管理现代化的要求；三是组成枢纽的各建筑物均以超过经济使用年限，隐患严重。根据该枢纽工程现状及上级的要求，决定将原前进二闸枢纽拆除后重建。1.2 水文气象前进二闸枢纽工程处于干旱半干旱地带，大陆性气候特征明显，冬季严寒少雪，夏季高温干热。年降水量 139222mm，且 70%的降雨集中在

3、79 月份，年蒸发量20002300mm，47 月份蒸发量最大，约占全年的 40%以上，根据当地的气象站多年资料，多年平均气温 68，最低气温在一月份为-33.1 ，最高气温在七月份达到 37.4，每年 11 月下旬开始封冻，直到翌年 5 月中旬冻层全部消退，封冻期长达 180 天左右，冻土最大深度 1.11.3m，无霜期为 135150 天。一般冬春两季为多风季节，风向多以西北风和西风为主，冬季风力强，春季持续时间长，多年最大月平均风速 19.6m/s。1.3 工程地质1.3.1 地层岩性分布- 2 -闸址区属黄河冲积洪积平原，第四纪沉积较厚，根据钻孔揭露，地层主要以灰色粉质壤土、粉质粘土和

4、浅灰色细砂层为主。现分述如下：粉质壤土呈饱和状态，可塑，沉积厚度 0.54.0m ，属中等压缩性土，内摩擦角31.2，渗透系数 4.0110-5cm/s；粉质粘土呈饱和状态，可塑，沉积厚度0.22.0m，属中等压缩性土，渗透系数 1.0910-6 cm/s；中砂、细砂层均呈饱和状态，主要成分石英、长石、云母、中密，渗透系数 2.6510-31.2210 -3 cm/s。1.3.2 工程地质前进二闸枢纽地层较为复杂，主要为中粉质土、重粉质土、粉质粘土、中砂、细砂，呈饱和状态，粘性土多由可塑至软塑，属中等压缩性土；砂土由松散密实，颗粒级配较为均匀，属中等压缩性土；比较适合建筑物的持力层。1.3.3

5、 工程地质评价（1） 地基承载力的确定根据土的孔隙比、塑性指数、液性指数等指标确定粉质壤土的允许地基承载力为 140Kpa，粘土的允许地基承载力为 150Kpa。根据标准贯入锤击数和密实度，中细砂的允许承载力为 180Kpa。（2） 砂土的液化评价前进二闸枢纽位于临河地区，该区地震烈度为 6，根据标准贯入锤击数判别法和砂土相对密度判别法，确定在地震力作用下可能发生液化。由于闸室上、下游存在一定的水力坡降，所以存在渗透破坏的可能，当水力坡降超过 0.22 时，饱和细砂将发生流土破坏。1.3.4 结论（1）建议地基土的容许承载力采用 150Kpa。（2）闸基地层细砂属容易产生液化的地层，为避免动水

6、压力造成的渗透液化，建议实际水力坡降最好控制在允许水力坡降范围之内。闸基存在振动液化的可能，需采取防振动液化的措施。（3）闸基地下水位埋深较浅，建筑物基础埋置地下水位以下，建议施工时应采取排水措施。- 3 -1.4 设计依据1.4.1 工程等别按照水利部水规总院的审查意见，前进干渠主要建筑物为 3 级建筑物，所以前进二闸枢纽按 3 级建筑物设计。1.4.2 设计指标（1）枢纽各闸上下游断面前进干渠：渠底宽 50m，边坡 m=2，纵坡 i=1/12000， ，糙率 n=0.015，渠底高程1035.5m。节制闸 (新华闸 )：下游渠底宽 15m，边坡 m=2，纵坡 i=1/12000 (1/85

7、00)，糙率 n=0.015，吹程 0.8km。（2）枢纽各闸设计指标前进二闸枢纽建筑物设计指标表设计情况 加大情况名称 流量（m 3/s）上游水位（m）下游水位（m）流量（ m3/s）上游水位（m）下游水位（m）节制闸 28 1035.80(1035.5) 30 1035.70新华闸 231036.7（1035.7）251036.8（1035.9）西乐闸 22 1037.10 24 1037.2甜菜闸 4 1037.2 5.5 1037.3林场闸 0.61037.5(1037.4)0.81037.6(1037.5)（3）闸基土物理性质地基允许承载力：150Kpa地基土内摩擦角 31.2 、土

8、层凝聚力 15KN/m2 。土壤湿容重 18 KN/m3 、饱和容重 20 KN/m3、土的浮容重 10 KN/m3。砼与地基土的摩擦系数：0 (0.3)- 4 -（4）边墩后回填土部分内摩擦角 14 、土层凝聚力 5KN/m2 。土壤湿容重 18 KN/m3 、饱和容重 20 KN/m3、土的浮容重 10 KN/m3。（5）其他指标地震设计烈度：6- 5 -第二章 枢纽布置2.1 枢纽任务及组成前进二闸枢纽节制闸的作用是调节水位，控制流量。水闸由闸室、上游连接段和下游连接段三部分组成。闸室是水闸的主体，包括闸门、闸墩、边墩（岸墙） 、底板、胸墙、工作桥、检修便桥、交通桥、启闭机等。上游连接段

9、包括两岸的翼墙和护坡以及河床部分的铺盖，有时为保护河床免受冲刷，还加做防冲槽和护底。用以引导水流平顺地进入闸室，保护两岸及河床免遭冲刷，并与闸室等共同构成防渗地下轮廓，确保在渗透水流作用下两岸和闸基的抗渗稳定性。下游连接段包括护坦、海漫、防冲槽以及两岸的翼墙和护坡等。用以消除过闸水流的剩余能量，引导出闸水流均匀扩散，调整流速分布和减缓流速，防止水流出闸后对下游的冲刷。2.2 枢纽建筑物选型节 制 闸 常 建 在 分 水 闸 、 泄 水 闸 的 稍 下 游 ， 以 利 分 水 和 泄 水 ； 或 建 在 渡 槽 、 倒虹 吸 管 等 的 稍 上 游 ， 以 利 控 制 输 水 流 量 和 事 故

10、 检 修 ； 并 尽 量 与 桥 梁 、 跌 水 、 陡 坡等 结 合 ， 以 取 得 经 济 效 益 。 渠 系 节 制 闸 的 过 水 宽 度 要 与 上 、 下 游 渠 道 宽 度 相 适 应 ，以 利 于 连 接 。 当 采 用 轮 灌 时 ， 节 制 闸 上 、 下 游 渠 道 的 设 计 流 量 相 同 ， 下 游 水 位 即为 与 设 计 流 量 相 应 的 渠 水 位 ； 当 采 用 续 灌 时 ， 节 制 闸 上 下 游 设 计 流 量 不 同 ， 水 位需 取 相 应 流 量 的 渠 水 位 ， 但 下 游 水 位 需 计 及 下 一 级 节 制 闸 壅 水 的 影 响 。

11、渠 道 节 制 闸 多 用 开 敞 式 ， 闸 槛 高 程 宜 与 渠 底 相 平 ， 采 用 平 底 宽 顶 堰 ， 闸 下 消能 防 冲 工 程 都 比 较 简 单 ， 始 流 状 态 可 依 靠 护 坦 上 置 的 消 力 墩 扩 散 水 流 ， 撞 击 消 能 。上 下 游 翼 墙 力 求 平 顺 ， 常 采 用 扭 曲 面 过 渡 ， 以 减 少 水 头 损 失 。 节 制 闸 的 组 成 、 结构 及 设 计 要 点 等 与 一 般 水 闸 相 同 。- 6 -第三章 水力设计3.1 闸孔设计3.1.1 设计条件节制闸下游渠底宽 15m，边坡 m=2，纵坡 i=1/12000(1/

12、8500)，糙率 n=0.015，吹程 0.8km。设计流量 28(23)m/s，上游水位 1037.5(1037.4)m，下游水位1035.8(1035.7)m。加大情况下，流量 30(25)m/s，上游水位 1037.6(1037.5)m，下游水位 1035.7(1035.9)m。3.1.2 闸室形式闸室结构形式有开敞式、胸墙式和涵洞式等形式。开敞式闸室的特点是闸门全开时过闸水流具有自由水面，一般闸底板顶面高程较高，挡水高度较小的水闸都采用这种型式；胸墙式和涵洞式闸室，其泄流特点是闸门全开时过闸水流只能通过固定孔洞下泄，自由水面受闸室顶面固定部件所阻挡，一般闸底板顶面高程较低，挡水高度较大

13、的水闸采用这种闸室结构形式。节制闸过闸流量较小，挡水高度较低，因此采用开敞式闸室。3.1.3 闸孔形式闸孔形式有宽顶堰和低实用堰两种。宽顶堰有利于泄洪、冲沙、排污、排冰、且泄流能力比较稳定，结构简单，施工方便。缺点是流量系数较小，闸后宜产生波状水跃。低实用堰的优点是在自由泄流时的流量系数较大，水流条件较好。但泄流能力受尾水位变化的影响较为明显，不如宽顶堰泄流时稳定，同时施工也较宽顶堰复杂。根据节制闸的实际情况，比较两种堰型选用宽顶堰。3.1.4 堰顶高程一般情况下，拦河闸底板顶面与河底平齐，因此堰顶高程取上游渠底高程1035.5m。3.1.5 闸孔总宽度及孔数- 7 -闸孔总净宽按 SL265

14、2001水闸设计规范中公式计算：总净宽 （3-1）2300HgmQB多孔闸堰流侧收缩系数（闸墩墩头为圆弧形）： （3-2）Nbz1中闸孔侧收缩系数： （3-3）40017. zzz db边闸孔侧收缩系数：（3-4）4002217. bzbzb dd堰流淹设系数： （3-5）4.0013.Hhss式中 B 0闸孔总净宽(m)；Q过闸流量(m 3/s)；Ho计入行近流速水头的堰上水深(m)；m堰流流量系数，采用 0.385；堰流侧收缩系数，多孔闸按公式（3-3）计算；b0单孔净宽(m) ；N多孔闸闸孔数；z中闸孔侧收缩系数，按公式 (3-4)计算求得或由表 3-1 查得，但表中 bs 为 b0+d

15、s；dz中闸墩厚度 (m)；- 8 -b边闸孔侧收缩系数，按公式 (3-5)计算求得或由表 3-1 查得，但表中 bs 为 b0+ds/2+bb；bb边闸墩顺水流向边缘线至上游河道水边线之间的距离(m)堰流淹设系数，按公式 (3-6)计算求得或由表 3-2 查得；hs由堰顶算起的下游水深。表 3-1 值b0/ bs 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 0.909 0.911 0.918 0.928 0.940 0.953 0.968 0.983 1.000表 3-2 宽顶堰 值hs/H0 0.72 0.75 0.78 0.80 0.82 0.84 0.86

16、0.88 0.90 0.91 1.00 0.99 0.98 0.97 0.95 0.93 0.90 0.87 0.83 0.80hs/H0 0.92 0.93 0.4 0.95 0.96 0.97 0.98 0.99 0.995 0.998 0.77 0.74 0.70 0.66 0.61 0.55 0.47 0.36 0.28 0.19计算如下：流量 Q=28m3/s；上游堰上水深 H=1037.51035.5=2.0m；上游干渠渠道水深 h=1037.501035.50=2.0m；干渠流量为各闸流量总和：Q 0=28+23+22+4+0.6=77.6m3/s；上游渠道断面面积 A0=(b+

17、mh)h =(50+22)2 =108m2；上游行进流速 m/s；72.1860Qv- 9 -计入行进流速水头的堰上水深为 m03.281.97200 gVH下游水深由试算-图解法求得： imhbnmhbQ3212)()(具体计算见表 3-3表 3-3 流量计算表b m h A R Q15 2 0.6 9.72 17.68 0.55 3.9715 2 0.8 13.28 18.58 0.71 6.4615 2 1 17 19.47 0.87 9.4515 2 1.2 20.88 20.37 1.03 12.9215 2 1.4 24.92 21.26 1.17 16.8615 2 1.6 29

18、.12 22.16 1.31 21.2615 2 1.8 33.48 23.05 1.45 26.1315 2 2 38 23.94 1.59 31.4715 2 2.2 42.68 24.84 1.72 37.2615 2 2.4 47.52 25.73 1.85 43.53由计算表的 h 与 Q 数值绘制 h-Q 关系曲线如图 3-1由 h-Q 关系曲线可得，当 Q=28m/s 时，下游水深 hs=1.872m由公式 3-6 得：图 3-1 h-Q关 系 曲 线00.511.522.530.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 50.00流 量 Q(m/s)下游水深(m)- 10 -76.03.281-.0731.213.2 .44.00 ）（Hhssm=0.385, 假设为 0.95，则由公式 3-1 计算得：m49.703.281935.0976.0230 gmQB则设计为三孔，单孔净宽 b0=2.5m，总净宽 B0=7.5m；单宽流量 m3/s；中墩厚度 dz=1.0m，边墩厚度 d=0.8m；.58Bq闸孔总宽度 m。5.912.230 zd闸门结构如图 3-2 所示图 3-2 闸门结构示意图3.1.6 流量校核（1）设计情况由公式 3-2 至 3-4 得： 956.017.0400zzz db